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第44章 未来的主要科学与技术的研究领域(4)

例如,陶瓷,硬纸板,塑料制品,泡沫等对THz电磁辐射是透明的,因此THz技术可以作为X射线的非电离和相干的互补辐射源,用于机场、车站等地方的安全监测。

(3)宽带、瞬态和相干性:THz单个脉冲的频带可以覆盖GHz至THz的频率范围,能获得物质更丰富的光谱数据;THz脉冲的典型脉宽在ps级,具有很高的时间分辨率,可以进行瞬态光谱研究;THz脉冲可以方便地进行时间分辨的研究。THz波具有很高的时间和空间相干性,它由相干电流驱动的偶极子振荡产生或是由相干的激光脉冲通过非线性光学差频产生,所以便于成像。

2.THz辐射的产生

1)光导天线法

光电导半导体材料表面淀积金属制成偶极天线电极结构,利用飞秒激光器照射电极之间的光电导半导体材料,会在其表面瞬时地(10-14秒量级)产生大量自由电子空穴对,这些光生载流子在外加电场或内建电场作用下被加速,在光电导半导体材料表面会形成变化极快的光电流,从而产生向外的THz电磁辐射脉冲。

2)光整流效应法

利用晶体的非线性性质,当一束强脉冲激光照射到晶体上时产生差频效应,脉冲光中不同频率成分之间的频率差有一部分恰好位于THz波段。这种方法的好处是得到的THz谱比较宽。尤其随着超快技术的不断发展,可以得到脉冲宽度非常窄的脉冲激光,从而使得到的THz光谱大大拓宽,但受到晶体非线性转化效率的限制,此种方法得到的THz波能量一般较弱。

3.THz波段的应用

1)THz时域光谱技术

太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术是20世纪80年代由AT&T、Bell实验室和IBM公司的WastonTJ研究中心发展起来的。该技术基于利用飞秒激光技术获得的宽波段THz脉冲,具有大带宽、高信噪比、可在室温下工作等优点。THz光谱技术用THz脉冲透射样品或者在样品上发生反射,测量由此产生的THz电场强度随时间的变化,利用傅里叶变换获得频域上幅度和相位的变化量,进而得到样品的信息。此技术目前已经开始商业化,世界范围内已经有多家企业开始生产商用THz时域光谱仪,主要是美国、日本以及欧洲国家的厂家。

2)THz成像技术

太赫兹成像原理是已知波形的THz波作为光源照射到样品的表面,通过样品后的透射谱或反射谱包含的振幅信息及相位信息将会携带样品的复介电常数信息,然后通过成像系统对探测器探测到的振幅信息及相位信息进行分析处理,从而得到样品的图像。

其主要优点为:①对非金属材料有很强的穿透力,其衰减系数比超声波低2-3个数量级;②非接触检测,省去了相互接触从而避免污染及与样品发生反应;③高效检测,容易实现实时监测。

由于THz波具有类似X射线的穿透能力,且光子能量低,所以可对生物组织成像和医学检查。在皮肤癌的诊断和治疗、DNA探测、THz断层扫描成像、生物化学药物检测方面显示了其强大的功能和成效。

3)安全检查

利用THz波进行安全检查应该说是现阶段最吸引人的THz技术。THz技术应用于安全检测领域具有很多优良的性质。①指纹谱性。THz波通过与物质的相互作用(透射、反射、发射),可以携带物质大量的物理化学信息。大多数有机大分子(包括爆炸性物质和毒品等)的振动和转动能级谱处于THz波段,表现出特征吸收和色散,具有指纹谱性。THz波能检测出物质结构的微小变化和差异,通过其检测出爆炸性物质的特征指纹谱,可以确定爆炸性物质的结构及种类。②非电离性。相比于X射线几十至几百千电子伏特的光子能量,THz波单光子能量较低,仅有几毫电子伏特,是一种较为安全的无损探测方法。③强穿透性。THz波可以有效穿透大多数非金属和非极性电介质材料,包括塑料、包裹、信封、行李、衣物、陶瓷甚至墙壁等隐蔽材料,故可以实现对非金属、非极性材料覆盖的隐蔽爆炸物品的非接触式检测。

4)THz雷达

THz雷达技术可以探测比微波雷达更小的目标和实现更精确的定位,具有更高的分辨率和更强的保密性,是未来高精度雷达的发展方向。因此,THz雷达技术有望在军事装备的模拟研制上发挥其作用。与红外雷达和激光雷达相比,THz雷达具有穿透沙尘、烟雾的能力,可以全天候工作。基于THz特有的穿墙术,THz雷达可以探测到敌方隐蔽的武器、伪装埋伏的武装人员,以及烟雾、沙尘中的军事装备。另外,THz雷达还可远程探测空气中传播的有毒生物颗粒或化学气体。

5)环境监测

THz辐射可以穿透烟雾,可检测出有毒或有害分子,因此可以用于污染物的检测。大气中的水汽、氧气、氮化物、氧化物等同样吸收THz波,通过卫星携带的THz波探测器,可对大气成分含量及分布进行监测。

6)通信技术

由于THz通信具有带宽宽、天线小、定向性好、安全性高和散射小等特点,在卫星间星际通信、同温层内空对空通信、短程地面无线局域网、短程安全大气通信方面有着广泛的用途。THz用于通信可以获得10Gbps的无线传输速度,特别是卫星通信,由于在外太空,近似真空的状态下,不用考虑水分的影响,这比当前的超宽带技术快几百至一千多倍。

7)天文学

在宇宙中,有大量的物质在发出THz电磁波。碳(C)、水(H2O)、一氧化碳(CO)、氮(N2)、氧(O2)等大量的分子可以在THz频段进行探测。而这些物质在应用THz技术以前,或者根本无法探测,或者只有在海拔很高的地方或月球表面才可以探测到。

4.THz研究现状

近年来,随着国际恐怖主义的扩散和世界性灾害的发生,防恐、减灾、构建安全的现代社会已成为世界共同的重要课题。欧、美等发达国家对THz辐射波技术给予了很大的关注。

2004年,美国政府将THz科技评为“改变未来世界的十大技术”之四,并以美国国防高级研究计划署DARPA等为中心,积极推进以国防为主要目的的尖端技术开发和超高速电子领域的相关项目研究,如开展TIFT(Terahertz Imaging Focal-plane-array Technology)项目研究,开发安全应用方面的小型高感度THz感测系统等。

2003-2006年进行TFAST(Technology forFrequency Agile Digitally Synthesized Transmitter)项目研究,开发了高速通信、相控阵列天线发射机(phased-array antena)的超高速集成电路。从2005年开始实施SWIFT(Submillimeter Wave Imaging FPA Technology)项目,开发安全防卫用的并与亚毫米波FPA组合的成像装置。美国已有超过10家企业在THz波相关产品的开发方面取得进展,如Picometrix公司开发的宇宙飞船外壁薄板内部缺陷检查用THz成像系统,已在美国国家宇航局NASA投入使用。Physical Sciences Inc、波音等公司也积极进行THz波在安全领域应用的研究开发。

在欧洲,英国的Rutherford国家实验室,剑桥大学、里兹大学、Strathclyde等十几所大学,德国的KFZ,BESSY,Karlsruhe,Cohn,Hamburg等大学,都积极开展THz研究工作。欧洲国家还利用欧盟的资金组织了跨国家的多学科参加的大型合作研究项目。

在亚洲,日本于2005年1月8日将THz技术列为“国家支柱十大重点战略目标”

之首,举全国之力进行研发。我国政府在2005年11月专门召开了“香山科技会议”,邀请国内多位在THz研究领域有影响的院士专门讨论我国THz事业的发展方向,并制定了我国THz技术的发展规划。

5.THz技术存在的问题和展望

1)存在的问题

(1)由于大部分生物组织中含有丰富的水分,而水对THz辐射吸收很强,大大降低了生物样品成像的灵敏度,对含水多的样品不能清晰的成像。

(2)目前大部分采用飞秒激光器所产生的THz波的平均能量只有纳瓦数量级,实时二维成像的信噪比很低。

(3)由于THz波的波长较长,限制了THz成像系统的空间分辨率。

(4)现有的THz时域光谱系统及成像系统的设备不仅价格昂贵,信息处理过程也很复杂,有待于进一步实用化。

2)THz技术展望

THz波的量子能量很低,信噪比很高,频率极宽,它覆盖了各种包括蛋白质在内的大分子的转动和振荡频率,并适用于实验研究固体材料晶格振动能谱,因此在科学技术及工业上有很多诱人的应用。THz技术在空间运动目标的侦察、识别、致盲、对抗方面有极大优势,是无线通信和反恐辑毒的有利工具,是生物医学和探测成像的独特手段,是未来技术的制高点,有巨大潜在需求。在未来,THz技术必将进一步丰富人类认识物质世界的知识宝库,为改造世界提供更新的技术手段。

4.4 未来生物技术

4.4.1 转基因食品

转基因食品(Genetically Modified Foods,GMF)是利用现代分子生物技术,将某些生物的基因转移到其他物种中去,改造生物的遗传物质,使其在形状、营养品质、消费品质等方面向人们所需要的目标转变。以转基因生物为直接食品或为原料加工生产的食品就是“转基因食品”。

4.4.2 基因工程药物

基因工程药物是先确定对某种疾病有预防和治疗作用的蛋白质,然后将控制该蛋白质合成过程的基因取出来,经过一系列基因操作,最后将该基因放入可以大量生产的受体细胞中去,这些受体细胞包括细菌、酵母菌、动物或动物细胞、植物或植物细胞,在受体细胞不断繁殖过程中,大规模生产具有预防和治疗这些疾病的蛋白质,即基因疫苗或药物,在医学和兽医学中的应用正逐步推广。

当人或动物受到某种病毒感染时,体内会产生一种物质,它会阻止或干扰人体再次受到病毒感染,故人们把此种物质称为干扰素(Interferon,IFN),是1957年英国科学家Alick Isaacs(1921-1967年)和Jean Lindenmann(1924年-)在研究流感病毒干扰现象时发现的。干扰素具有广谱抗病毒的效能,是一种治疗乙肝的有效药物,国际上批准治疗丙型病毒性肝炎的药物只有它。但是,通常情况下人体内干扰素基因处于“睡眠”状态,因而血中一般测不到干扰素。只有在发生病毒感染或受到干扰素诱导物的诱导时,人体内的干扰素基因才会“苏醒”,开始产生干扰素,但其数量微乎其微。即使经过诱导,从人血中提取1mg干扰素,也需要人血8000ml,其成本高得惊人。据计算:要获取1磅(453g)纯干扰素,其成本高达200亿美元,因此大多数病人没有使用干扰素的能力。1980年后,干扰素与乙肝疫苗一样,采用基因工程进行生产,其基本原理及操作流程与乙肝疫苗十分类似。现在要获取1磅(453g)纯干扰素,其成本不到1亿美元。基因工程生产出来的大量干扰素,是基因工程药物对人类的又一重大贡献。

据不完全统计,目前在欧、美诸国,已经上市的基因工程药物接近百种,大约还有超过300种药物正在临床试验阶段,处于研究和开发中的品种将近2000个。值得注意的是,近一二年基因药物上市的周期有明显缩短的迹象。与一般药物研究开发相比,基因工程药物的研究投入之大令人瞠目。在美国,这种药物的研究经费是通常工业研究平均投入的近10倍,并且还呈逐年增加的趋势。不乏有些大的跨国公司为垄断市场以致长期获利而冒险涉足,如美国强生公司为开发一个重组人红细胞生成素(EPO)产品,竟投资不下20亿美元,但获利也是十分丰厚的。

因为基因工程药物大多数是人体内原有的物质,所以一般副作用较小。自1982年第一个基因工程药物“人胰岛素”在美国上市以来,其他基因工程药物,如重组人生长激素、重组人干扰素、重组肿瘤坏死因子(rTNF)、促红细胞生成素(EPO)、重组白细胞介素(rIL)、粒细胞集落刺激因子(G-CSF)、巨噬细胞集落刺激因子(MCSF)、单核细胞集落刺激因子(GM-CSF)、组织型纤维蛋白质酶原激活剂(t-PA)、心纳素(ANF)等,先后被美国食品和药物管理局(FDA)批准上市。如今在美国将一个基因工程药品推上市场,只要1亿美元(仅为化学合成药的一半),现在美国已批准了62个基因工程药物和疫苗的产品上市,基因工程药物的美好前景,受到全世界的重视。

人类基因组测序工作的完成,人们期待已久的人类基因密码的破译,会使我们对人的健康与疾病起因有更深入的认识,随之而来的将是更多的新防治药物的产生和新疗法的问世,为基因工程制药产业带来新的发展契机。